焊接残余应力的分布规律

题目：焊接残余应力的分布规律课程：焊接结构与生产专业：焊接技术与工程目录TOC\o"1-1"\h\u摘要 1一.焊接残余应力的概念 3二.焊接残余应力产生的原因 3三.焊接残余应力的测量方法 3四.研究对象、材料热物理性能及力学性能 4五.结论 5摘要焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力。为了保证焊接结构的安全可靠准确的推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的课题。对于厚板焊接就更需要考虑内部残余应力的大小对于焊接残余应力‚以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，‚不但费时费力，还要受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大。而本文应用数值模拟方法计算焊接残余应力克服了试验测量方法等缺点反过来也能验证试验测量的结果。因此本文的研究成果对科学研究和工程实际都具有重要意义。本文首先对焊接残余应力的测试方法和有限元分析的基本原理进行了阐述。在对钢板焊接残余应力模拟分析过程中‚本文采用软件的热一结构祸合功能利用改变单元属性法、生死单元法对对接焊缝在焊接过程的残余应力进行了模拟分析通过软件的语言编写的程序实现焊接热源的移动加载。最后通过后处理，得出了不同时刻焊缝处各点的温度分布曲线及焊缝部位残余应力的大小及分布规律。【关键词】：焊接理论；残余应力；测试方法一.焊接残余应力的概念焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力为热应力主要为冷却应力相变应力可再叠加其上。在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下冷加工作用力是残余应力的源泉‚它可单独作用也可能附加于上述热效应之上。在焊接过程中焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热‚并局部熔化。焊接区材料受热而膨胀热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成弹性热应力，受热区温度升高后屈服极限下降热应力可部分超过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现拉伸残余应力周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况构件最后冷却的区域以热应力为主时呈现焊接拉伸应力，而以相变应为主时，呈现焊接压应力。二.焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分有如下3种情况：（1）.直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果它取决于加热和冷却时的温度梯度是形成焊接残余应力的主要原因。（2）.间接应力这是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或拉拔时都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。（3）.组织应力这是由组织变化而产生的应力也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异‚但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是发生相变的温度和平均冷却速度。焊接残余应力一般主要是由（1）情况的直接应力所造成的。在此有必要把这种温度梯度所造成的影响作更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时各部分的热膨胀数量就不同，由于彼此之间相互制约就产生热应力。假定这种热应力超过了材料此时温度下的屈服应力，就会产生塑性变形，塑性变形的发生，又使热应力的状态发生变化。在冷却过程中如果各部分温度降低的不一样，热应力也会发生。从加热开始到冷却终了，焊接残余应力是作为热应力的最终状态而出现的，能给予这种残余应力以决定性影响的是各部分的温度梯度。三.焊接残余应力的测量方法残余应力的测定方法大致可分为机械测定法和物理测定法。机械测定法的测量原理是将具有残余应力的部分，用一定的方法进行局部地分离或分割，从而使残余应力被局部释放，测定分割前后的变形，然后应用弹性力学来求出残余应力。它主要包括钻孔法、分割切条释放法、逐层铣削法等。其优点是测量的精度较高‚但对构件的损伤较大。物理测定法是利用受应力影响的材料物理性质的变化测定材料内的残余应力的无损检测法。它包括X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散斑干涉起法等‚它对被测构件无损害‚但成本较高。焊接残余应力的测量方法具体分类如图3.1所示。图3.1焊接残余应力的测量方法分类四.研究对象、材料热物理性能及力学性能选用厚度为6mm的低碳钢板(Q235)进行数值模拟,焊接热源作为内部热源。分析采用的是两平板对焊根据对称性,采用试板的1/2进行数值模拟,在对称面上不考虑散热,其余各截面均需考虑散热作用。采用如下焊接参数:焊接电压U=26V;焊接电流I=160A;焊接速度V=2mm/s;焊接有效系数η=0.75;电弧有效加热半径R=8mm。材料的热物理性能主要包括热传导率、比热、换热系数和熔化潜热。将上述参数看成温度的函数，进行非线性分析以提高计算精度。在数值模拟计算中热物理性能采用了经验数值，见图4.1。图4.1低碳钢热物理性能与温度的关系材料的力学性能泊松比、热膨胀系数、弹性模量、屈服强度分别是温度的函数且是各向同性的。这些参数选取是否合理‚直接影响着最终计算的残余应力的大小和分布。另外,各个参数随温度的变化尽量取光滑些‚这样在应力计算过程中利用插值比较好同时也减少迭代次数.图4.2为各力学性能参数随温度变化的曲线图。图4.2材料力学性能与温度的关系五.结论焊接残余应力的大小和分布与焊件的尺寸及焊缝尺寸有很大的关系。对于超厚度的钢板分析其厚度方向的残余应力尤为重要而对于薄板，厚度方向的残余应力对构件的承载力影响不是很大，故只需考虑横向及纵向残余应力对构件承载力的影响。参考文献米谷茂著，朱荆璞、邵会孟译.残余应力的产生和对策机械工业出版社出版,1983蒋沧如,袁海庆.有限单元法的理论与工程应用,武汉工业大学出版社,1997王勖成，有限单元法清华大学出版社，2004.熊建民等，厚板焊接中残余应力的分布规律，湖北工学院学报，1997袁发荣，伍尚礼。残余应力测试与计算，湖南大学出版社，1987田锡